Содержание к диссертации
Введение
Глава 2. Исследование особенностей акустооптического взаимодействия в кристаллах. Разработка АО фильтров . 19
2.1. Исследование особенностей коллинеарного взаимодействия в БіОг. 19 Разработка АОФ из кристаллического кварца.
2.1.1. Исследование распространения ультразвуковых пучков в кварце Х-среза. 19
2.1.2. Разработка коллинеарных АОФ из Si02. Исследование их характеристик . 24
2.1.3. Разработка квазиколлинеарных АОФ из БіОг. Исследование их характеристик. 29
2.2. Исследование особенностей коллинеарного взаимодействия в СаМоОф Разработка АОФ из молибдата кальция. 33
2.2.1. Исследование возможностей управления аппаратной функцией АОФ из молибдата кальция. 39
2.3. Разработка неколлинеарных АОФ из парателлурита. Исследование их характеристик. 45
2.4. Разработка коллинеарных АОФ на кристалле NaBi(Mo04h- Исследование их характеристик. 51
2.5. Изучение возможности создания АОЯ на решетках поглощения. 56
2.6. Технологические проблемы изготовления АО ячеек для двойных АО монохроматоров. 62
Глава 3. Разработка АО спектрометров. Исследование их характеристик . 68
3.1. Акустооптические спектрометры. 69
3.1.1. Проблемы создания акустооптических спектрометров. 69
3.1.2. Двойные монохроматоры для акустооптических спектрометров . 71
3.1.3. Разработанные акустооптические спектрометры и УФ, видимого и ИК диапазонов.
3.2. Акустооптический рамановский спектрометр. 76
3.2.1. Описание спектрометра. 76
3.2.1.1. Монохроматор. 78
3.2.1.2. Фотоприемный блок. 80
3.2.2. Перестроечная характеристика спектрометра. 82
3.2.3. Программное обеспечение спектрометра. 83
3.3. Лазерный акустооптический спектрофлюориметр «ФЛЮОЛ». 88
3.3.1. Описание спектрометра «АОС-МП». 89
3.3.2. Градуировка спектрометра «АОС-МП». 92
3.3.3. Испытания спектрофлюориметра. 94
3.4. Видеоспектрометры на основе акустооптических фильтров. 96
3.4.1. Видеоспектрометр видимого диапазона основе двойного АО монохроматора. 96
3.4.2. Видеоспектрометр ультрафиолетового диапазона на основе АО монохроматора. 99
3.4.3. Результаты испытаний и исследований видеоспектрометра видимого диапазона. 99
3.4.3.1. Исследование акустооптических ячеек и монохроматора. 99
3.4.3.2. Исследование передачи спектральных изображений. 102
3.4.4. Технические характеристики. 107
3.4.5. Основные результаты разработки АО видеоспектрометров. 109
3.5. Выводы. ПО
Глава 4. Разработка газоанализаторов на основе АО спектрометров .
4.1. Постановка проблемы. 111
4.2. Требования к спектрометру для задач газоанализа. 112
4.3. Алгоритм измерения газовых примесей акустооптическим газоанализатором. 113
4.4. Газоанализатор для контроля выбросов из газоходов. 115
4.4.1. Газоанализатор для непрерывного контроля выбросов. 115
4.4.2. Кюветный вариант газоанализатора. 118
4.5. Трассовые газоанализаторы. 124
4.5.1. Устройство и работа оптического блока газоанализатора «САГА-ММС». 124
4.5.2. Устройство и работа АО монохроматора газоанализатора «САГА-ММС». 129
4.5.3. Устройство и работа фотоприемного блока газоанализатора 130 «САГА-Т100».
4.6. Устройство и работа спектрометра АО газоанализатора. 132
4.6.1. Реализуемые функции. 133
4.6.2. Программный интерфейс газоанализатора. 135
4.7. Испытания АО газоанализаторов. 136
4.8. Выводы. 141
Глава 5. Разработка АО фильтров для внутрирезонаторного управления излучением перестраиваемых лазеров .
5.1. Введение. 142
5.2. Исследование характеристик лазера на красителях с АОФ «Фотон» в резонаторе. 143
5.3. Исследование характеристик лазера на красителях с АОФ «Пентапризма» в резонаторе. 147
5.3.1. Оптическая схема излучателя. 147
5.3.2. Устройство и работа дисперсионного блока. 148
5.3.3. Устройство и работа блока управления. 150
5.3.4. Исследование режимов работы перестраиваемого лазера . 152
5.3.4.1. Исследование энергетических и спектральных характеристик лазера при работе на растворе родамин 6G. 152
5.3.4.2. Исследование лазера при работе в сине-зеленой области спектра. 155
5.3.4.3. Исследование двухчастотной генерации лазера с АОФ. 156
5.4. Исследование работы лазера с комбинированным дисперсионным блоком,
содержащим АОФ и интерферометр Фабри-Перо. 160
5.5. Исследование характеристик лазера с АОФ из СаМо04 в резонаторе. 162
5.5.1. Функциональное управление спектром излучения лазера с АОФ из
СаМо04 в резонаторе. 166
5.6 Выводы. 170
Глава 6. Метрологическое обеспечение АО спектрометров и приборов на их основе .
6.1. Разработка аппаратуры для градуировки АО спектрометров в единицах спектральной плотности энергетической яркости. 171
6.1.1. Сравнительный анализ классических средств градуировки спектрометров. 171
6.1.2. Передача единицы спектральной плотности энергетической яркости при помощи АО спектрометра-компаратора. 175
6.1.3. Спектрометр-компаратор на основе двойного АО монохроматора из СаМо04. 179
6.1.3.1. Устройство и работа блока обработки АО спектрометра-компаратора. 181
6.1.3.2. Исследование параметров АО спектрометра-компаратора. 182
6.1.3.3. Результаты метрологической аттестации АО спектрометра-компаратора. 188
6.1.4. Широкоапертурные рабочие эталоны СПЭЯ. 189
6.2. Разработка методов и аппаратуры для градуировки АО газоанализаторов. 194
6.2.1. Проблема градуировки АО газоанализаторов. 194
6.2.2. Устройство и работа рабочего эталона для градуировки
АО газоанализаторов. 195
6.2.3. Эталонные оптические газовые кюветы. 198
6.3 Выводы. 206
Заключение. 207
Список литературы.
- Разработка коллинеарных АОФ из Si02. Исследование их характеристик
- Двойные монохроматоры для акустооптических спектрометров
- Требования к спектрометру для задач газоанализа.
- Исследование режимов работы перестраиваемого лазера
Введение к работе
Устройства, использующие дифракцию света на акустических волнах в кристаллах, нашли широкое применение в науке и технике [1-Ю]. Они используются для модуляции [11,12] и отклонения световых пучков [13,14], для спектральной фильтрации оптического излучения [15,16], для спектрального анализа [17,18] и для обработки радиосигналов [19,20]. Все эти устройства используют эффект селективного рассеяния (дифракции) световых волн на периодических неоднородностях показателя преломления кристалла, создаваемых акустической волной вследствие упругооптического эффекта [21].
Основным элементом всех этих устройств является акустооптическая ячейка (АОЯ), представляющая собой кристалл, к которому прикреплен акустический излучатель и в котором происходит взаимодействие световых и акустических волн. Каждый функциональный акустооптический (АО) элемент имеет специфическое строение, соответствующее своему назначению. Например, акустооптические фильтры, модуляторы, дефлекторы имеют оптический вход и выход и управляющий высокочастотный (ВЧ) вход, тогда как в устройствах обработки радиосигналов именно на ВЧ вход (входы) подается сигнал, а оптическое излучение используется для его обработки. Соответственно, во всех этих устройствах различна конструкция АОЯ (кристаллическая симметрия среды, углы распространения волн относительно кристаллических осей, способы введения волн в кристалл и в область взаимодействия). И даже для однотипных устройств конструкция АО ячеек может принципиально различаться. Например, акустооптические фильтры (АОФ) для фильтрации естественного (расходящегося) и коллимированного излучения принципиально отличаются по требованиям к их параметрам, и в последнем случае выбор геометрии взаимодействия (углов распространения волн) существенно шире. Также значительно различаются по своим характеристикам и конструкции АО фильтры с коллинеарной [15] и неколлинеарной [22] геометрией дифракции.
В основе работы АО устройств лежит эффект дифракции света на акустических волнах в кристаллах, который был открыт Бриллюэном в 1921 году и в дальнейшем подробно исследован Дебаем, Сирсом, Мандельштамом, Раманом. Суть эффекта заключается в том, что распространяющаяся в кристалле акустическая волна создает упругие напряжения среды и, тем самым, вызывает изменения ее тензора диэлектрической проницаемости. Для световых волн такая структура с периодически меняющимся показателем преломления играет роль объемной фазовой дифракционной решетки, так что
7 сильное влияние испытывает только одна спектральная компонента, которая удовлетворяет условию Брэгга
Кпад Ч ~ Кциф ? (1)
где кпад, кдиф - волновые векторы падающей и дифрагировавшей световой волны, q-волновой вектор решетки, определяемый периодом звуковой волны (q=2rtv/f, v - скорость звука в кристалле, f - частота звуковой волны). Таким образом, такая решетка обладает избирательностью по отношению к длине волны и к направлению распространения падающей световой волны, и это позволяет использовать этот эффект для управления оптическим излучением. Создание на этой основе разнообразных функциональных устройств, начавшееся в 60-х годах, привело к возникновению нового направления в физике и технике - акустооптики.
Общие принципы работы АО фильтров были выработаны в работах [15,22-27]. Первый акустооптический фильтр был создан в 1969 г. [15] на основе коллинеарной дифракции в кристалле кварца. В 1974 г. была показана возможность использования неколлинеарной геометрии дифракции для фильтрации оптического излучения [22]. Для фильтрации неколлимированного излучения важно, что АО фильтры обладают большой угловой апертурой (l-s-Ю0). Это с учетом большой пространственной апертуры (~1 см2) позволяет, создать на основе АОФ светосильные спектрометры [28]. Более того, АО спектральные устройства способны регистрировать не только спектр излучения, но и его пространственное распределение, т.е. выполнять функцию видеоспектрометров. Первые опыты по фильтрации изображений были проведены уже в 1976 году, как на коллинеарном фильтре [26], так и на неколлинеарном [27]. В СССР первый акустооптический фильтр был создан в 1972 г. в Лаборатории акустоэлектроники и акустооптики ВНИИФТРИ [29,30]. В дальнейшем было разработано множество модификаций АО фильтров для разнообразных применений.
Современный уровень техники требует создания АО фильтров с разнообразными характеристиками, определяемыми в каждом случае задачей, которую предполагается решить с использованием этих устройств. Для нахождении и проектирования оптимального для конкретной проблемы АО фильтра недостаточно знать общие соотношения между физическими величинами (характеристиками волн и среды), следующие из теории АО дифракции. Эти теоретические формулы позволяют решать только прямую задачу: рассчитать характеристики АО фильтра любой заданной
8 конфигурации. Таким образом, создание АО фильтра с заданным перечнем характеристик, удовлетворяющего набору требований (например, по эффективности, потребляемой мощности, стабильности, условиям и режимам работы и т.п.) является отдельной сложной задачей. При этом даже заранее не всегда очевидно, что заданным требованиям можно удовлетворить. Например, заданный спектральный диапазон иногда сильно ограничивает выбор используемого кристаллического материала, а это, в свою очередь, ограничивает типы возможных геометрий дифракции. Этот и другие примеры демонстрируют тот факт, что для каждой конкретной физической или технической задачи при разработке подходящего АО фильтра необходимо учитывать множество факторов и ограничений, и поэтому такая разработка представляет собой творческую задачу, в которой не существует однозначного алгоритма нахождения решения и которая часто требует оригинального (принципиально нового) решения.
Такие однажды найденные технические решения могут быть использованы в дальнейшем при проектировании других АО фильтров, а потому так важен обобщенный анализ каждого оригинального технического решения. Особенно эффективен этот подход, основанный на использовании уже известных решений, при создании фильтров с характеристиками, незначительно отличающимися от существующего прототипа. В этом случае задача сводится к оптимизации параметров этого уже известного типа фильтра для достижения заданных характеристик.
Ниже приведены примеры проблем, которые требовали более эффективного решения, чем могли обеспечить существовавшее к тому времени АО фильтры.
Например, для задач, требующих высокого спектрального разрешения используются коллинеарные АО фильтры на кристаллах кварца [30] с разрешением до 0,1 нм в синей области спектра. Повышение их разрешения достигается увеличением длины L взаимодействия: A^~l/L. Однако этот ресурс оказывается исчерпанным при достижении длины взаимодействия порядка 20 см [31], что связано с эффектом расходимости звука в кварце (подробнее, см. п.2.1.1). Поэтому для создания более высокоразрешающих АО фильтров пришлось искать новый (для АО применений) кристалл (подходящим оказался NaBi(Mo04)2) и решать сопутствующие проблемы расчета оптимальных направлений взаимодействия, срезов граней и др.
Другая проблема, касающаяся вышеупомянутого фильтра на кварце [30], состоит в присутствии в АО ячейке акустических резонансов. Эти резонансы не позволяли эффективно использовать этот фильтр для селекции излучения в перестраиваемых лазерах на красителях. Только разработка специальной «безрезонансной» схемы построения этого
9 АО фильтра (гл.5) позволила осуществить стабильную внутрирезонаторную селекцию излучения и построить быстроперестраиваемые лазеры на красителях, в том числе с возможностью многочастотной генерации.
Важной задачей, решаемой при создании любого АО фильтра, является эффективное возбуждение и поглощение акустических волн. Одной из основных трудностей является согласование пьезопреобразователя со светозвукопроводом. Для решения этой задачи разработаны разнообразные технологии, включающие в том числе секционирование преобразователей. Наибольшие трудности в парателлурите вызывает согласование сдвиговых волн, т.к. в этом случае акустический импеданс АО ячейки очень сильно (примерно в 6 раз) отличается от импеданса пьезопреобразователя из ЬіІМЬОз и приходится напылять дополнительный согласующий слой, что является сложной технологической задачей, особенно для низких частот (менее 30 МГц). Именно поэтому разработанный автором метод генерации сдвиговых волн (п.2.3), основанный на возбуждения возбуждении продольной волны и последующей эффективной конверсией ее в сдвиговую волну, имеет важное практическое значение. Этот альтернативный метод генерации волн значительно облегчает согласование - за счет использования более толстых и более узких преобразователей.
Серьезную проблему для использования АО фильтров представляет наличие паразитных окон и заметная величина излучения вне полосы пропускания (боковые максимумы), обусловленная формой аппаратной функции (sin х / х ). Одним из способов подавления боковых максимумов является использование двойных монохроматоров. При этом, однако, возникают проблема управления двумя АО фильтрами. Если АО фильтры имеют естественные технологические различия, то при подаче на них сигнала одной и той же частоты положение линий пропускания фильтров будет различаться, так что пара таких фильтров будет обладать низким пропусканием. Использование разных генераторов не решает проблемы, а только усложняет ситуацию, поскольку необходим специальная перестроечная характеристика для каждого генератора, причем нестабильность или долговременный уход характеристик каждого из них приведет к резкому и неоднородному изменению коэффициента передачи системы. Именно поэтому для задач рутинного применения высококонтрастных АО спектрометров пришлось разрабатывать специальную технологию создания идентичных АО ячеек или ячеек с идентичной перестроечной характеристикой (п.2.6).
10 В ходе решения этих задач синтеза АО фильтров с заданными свойствами необходимо было найти ответы на ряд частных вопросов. Например:
За счет чего можно достигать высокого разрешения?
За счет каких приемов можно обеспечить высокое подавление излучения вне полосы пропускания?
Как при этом сохранить (обеспечить) технологичность изготовления АО фильтров?
Особый класс задач связан с использованием АО дифракции в таких условиях, в которых АО взаимодействие ранее не рассматривалась. Например, в вышеупомянутой задаче использования АО фильтра в резонаторе лазера спектр излучения изменяется за счет неоднородного по спектру усиления и многократной фильтрации. Детали поведения этой сложной системы удается выяснить только экспериментально. Выявленные закономерности эволюции спектра излучения позволили детализировать требования к спектральной характеристике АО фильтра.
Другой пример, связан с возможностью использования для АО фильтрации сильно поглощающих веществ, например, пьезополупроводников. Детальное рассмотрение задачи дифракции света на звуке с учетом сильного акустоэлектронного взаимодействия позволило обнаружить нетривиальный эффект аномального просветления среды и предложить новый класс материалов для акустооптики. Этот эффект предоставляет основу для создания АО фильтров в длинноволновой части спектра, где дифракция на фазовых акустических решетках, вызываемых упругооптическим эффектом, неэффективна, в частности в дальнем ИК диапазоне.
При проектировании спектрометрических приборов и систем возникают дополнительные требования на габаритно-весовые параметры, энергопотребление, скорость и характер управления АО фильтром, устойчивость к внешним воздействиям. В частности, изменение температуры светозвукопровода, который содержит тепловыделяющие элементы (пьезопреобразователь и поглотитель ультразвука), может заметным образом влиять на показатели преломления кристалла, что приводит к смещению полосы пропускания АО фильтра. Таким образом, контроль температуры кристалла и адекватный учет ее влияния является важнейшей задачей при создании АО спектрометров (гл.З). Вопросы метрологического обеспечения измерений еще более усложняются при разработке на основе АО спектрометров приборов для прикладных измерений. Например, для применения спектрально-оптические газоанализаторы на
основе АОФ необходимо обеспечить их калибровку и сертификацию (гл.4). При этом необходимо решить задачи передачи единицы измеряемой физической величины (концентрации веществ) от эталона к прибору (гл.6).
Без решения всех этих проблем широкое применение АО фильтров вряд ли было бы возможно. Описанное множество проблем, с которыми пришлось столкнуться в ходе разработке АО фильтров и спектрометрических устройств, определило содержание и структуру диссертационной работу, приведенную ниже.
В главе 2 рассмотрены вопросы исследования особенностей акустооптического взаимодействия в кристаллах и разработки АО фильтров. В частности, исследованы особенности АО взаимодействия в основных кристаллах, применяемых в акустооптике: S1O2, СаМо04, ТеОг, исследованы их характеристики и на этой основе предложены оригинальные конструкции АО фильтров для различных практических применений.
При разработке и конструировании фильтров из кварца принимался во внимание детально исследованный эффект неоднородной расходимости ультразвуковых пучков в кристаллах X среза. Это позволило разработать асимметричные конструкции излучателя для коллинеарных АО фильтров на кварце и тем самым обеспечило возможность достичь спектрального разрешения АО фильтра определяемого длинной светозвукопровода. Другая проблема, исследованная в разделе 2.1, - возникновение резонансов из-за переотражения акустических волн. Этот эффект приводит к появлению заметной неоднородности в спектральной характеристике АО фильтров. В п.2.1.3 описан АО фильтр, построенные по схеме, исключающей акустические резонансы и решающие эту проблему.
В разделе 2.2 рассмотрены вопросы разработки АОФ из молибдата кальция. Для этого проведено исследование особенностей коллинеарного взаимодействия в этом материале. Одной из основных проблем при разработке АОФ из СаМо04 является обеспечение подавления «паразитных» окон пропускания и обеспечения минимально возможных потерь света связанных с отражениями на входной и выходной гранях АОФ. В работе использована конструкция АО ячейки с конверсией продольной акустической волны в поперечную. Проведено исследование вопроса эффективности этой конверсии в зависимости от угла наклона конвертирующей грани. Впервые показано, что сдвиговая акустическая волна, распространяющаяся в плоскости Z под углом 45 к оси X (или Y) в кристалле СаМо04 имеет нулевую константу Мг для света распространяющегося вдоль X (или Y). Описаны разработанные коллинеарные АО фильтры с преобразованием акустических мод, не имеющие паразитных окон.
В разделе 2.3 рассмотрены вопросы разработки АО фильтров из парателлурита. В таких фильтрах проблема согласования механического импеданса УЗ преобразователя и импеданса светозвукопровода является очень важной. А для электрического согласования желательно обеспечить сопротивление излучения УЗ преобразователя близкое к сопротивлению ВЧ трактов (50 Ом). Описана разработанная оригинальная конструкция АО ячейки из парателлурита, которая позволяет осуществить преобразование продольной акустической волны в поперечную на грани кристалла и тем самым использовать пьезопреобразователь продольных волн. Продемонстрировано, что разработанная схема упрощает изготовление АО фильтра, поскольку не требует напыления акустического согласующего слоя, не требует секционирования, позволяет использовать более толстые преобразователи, которые, обладая меньшей емкостью, позволяют проще осуществлять электрическое согласование
Еще одна важная проблема рассмотрена в разделе 2.3 - разработка эффективных поглотителей и технологии их нанесения. Разработанная упрощенная технология нанесения металлического поглотителя на АО ячейку из ТеОг не требует долгого напыления индия и при этом обеспечивает подавление отраженной акустической волны на 20дБ.
В разделе 2.4 рассмотрена проблема создания высокоразрешающих АО фильтров для ИК диапазона. Описана разработанная конструкция коллинеарного АО фильтра на кристалле NaBi(Mo04)2, использующая акустическую развязку. Приведены результаты исследований характеристик этого фильтра, которые демонстрируют достижение рекордного спектрального разрешения (1-4 мкм) в области ближнего и среднего ИК диапазона.
В разделе 2.5 рассмотрена задача дифракции света на акустических волнах в пьезополупроводниках в условиях высокого поглощения. Показана возможность осуществления высокоэффективной АО фильтрации в такой среде на индуцированных звуком решетках поглощения. Показано, что это позволяет осуществлять эффективную АО дифракцию в дальнем ИК диапазоне.
В разделе 2.6 рассмотрена проблема изготовления АО ячеек для двойных АО монохроматоров. Сформулированы основные технологические трудности в воспроизводстве АО ячеек для таких фильтров. Описана разработанная технология изготовления АО ячеек из одной кристаллической заготовки, которая обеспечивает идентичность перестроечной характеристики в пределах одной октавы и позволяет создавать двойные АО монохроматоры с управлением от единого генератора. Проведен теоретический анализ влияния разброса различных угловых характеристик АО ячеек на
13 перестроечную характеристику. Результаты этого исследования позволили разработать упрощенную технологию изготовления кварцевых АО ячеек из разных кристаллических заготовок. Продемонстрировано, что эта технология обеспечивает идентичность перестроечной характеристики в пределах одной октавы и позволяет создавать двойные АО монохроматоры с управлением от единого генератора.
Разработка коллинеарных АОФ из Si02. Исследование их характеристик
Одними из наиболее широко используемых АОФ из кварца является коллинеарные фильтры, работающие на продольной ультразвуковой волне распространяющейся вдоль оси X. Большим достоинством этих АОФ является их высокое спектральное разрешение. Такие АОФ требуют большой длины взаимодействия и большой плотности акустической мощности в области взаимодействия света и звука. При больших длинах взаимодействия на процессы АО дифракции может существенно влиять расходимость ультразвукового пучка (УЗП). Для оптимизации конструкции АОФ необходимо знать особенности распространения УЗП вдоль направления АО взаимодействия, т.е. вдоль оси X кварца.
Направление X в кристаллическом кварце является осью 2 второго порядка. По отношению к скорости продольной ультразвуковой волны это направление является седловой точкой, т.е. для одних сечений поверхности скоростей скорость вдоль оси X является максимальной, а для других минимальной. Такая особенность оси X приводит к тому, что дифракционная расходимость УЗП , распространяющегося вдоль оси X, будет различна в разных направлениях, в результате на определенном расстоянии от ультразвукового преобразователя круглой формы сечение пучка станет эллиптическим.
Если записать фазовую скорость продольной звуковой волны как функцию углов 0,ф (рис 2.1 Л), то вблизи оси X ее можно представить как: V = Vx(l + P( p)02) (2.1.1)
Рассмотрим те направления, для которых параметр р достигает экстремальных значений, т.е. минимума и максимума. В плоскости, где параметр р максимален, т.е. скорость звука вдоль оси X в этой плоскости достигает минимума, будет наблюдаться максимальная расходимость УЗП. В плоскости, для которой скорость звука вдоль оси X максимальна, будет наблюдаться минимальная расходимость УЗП. Как известно в параболическом приближении ближняя зона пучка простирается примерно на расстояние L = a2/X(l+2p); где а - диаметр излучателя, 1 -длина звуковой волны, р - параметр входящий в формулу (2.1.1).
На рис.2.1.1 приведена рассчитанная диаграмма проекций единичных векторов групповых скоростей на плоскость ZY, соответствующих направлениям фазовых скоростей, составляющим угол 0=1 к оси X. При расчете использовались упругие и пьезоэлектрические константы кварца, приведенные в справочнике [2.4]. По этим расчетам параметр р достигает максимума Р=2,7 для ф=35, в этой плоскости следует ожидать максимальной расходимости УЗП. Минимальное значение параметра р (Р=-0,27) достигается в плоскости примерно перпендикулярной плоскости максимальной расходимости. В этой плоскости следует ожидать минимальной расходимости звукового пучка.
Распределение плотности потока ультразвукового пучка исследовалось на установке, блок-схема которой изображена рис.2.1.2. Плотность потока определялась при помощи измерения эффективности коллинеарной акустооптической дифракции следующим способом. На поверхность А кристаллического образца кварца, совпадающей с кристаллографической плоскостью X с точностью ±2 , было напылено металлическое зеркало. На эту же поверхность приклеивался короткий (длиной около 4 мм) звукопровод с пьезоэлектрическим преобразователем. На преобразователь подавался радиочастотный импульс, частота которого соответствовала частоте коллинеарной дифракции света с длиной волны 632,8 нм. В образце кварца возбуждался ультразвуковой импульс длиной 2 см. Пучок света от He-Ne лазера через разводящий поляризатор и диафрагму попадал на исследуемый образец. Образец ориентировался таким образом, чтобы отраженный луч лазера отражался точно назад. Часть светового пучка в результате акустооптической дифракции изменяла поляризацию на ортогональную и через разводящий поляризатор попадала на фотоприемник. Мощность звукового пучка была достаточно низкой так, что эффективность дифракции была пропорциональна мощности. Величина сигнала регистрировалась осциллографом.
Для определения распределения мощности УЗП по перечному сечению образец последовательно перемещался перпендикулярно световому пучку и проводилось измерение эффективности дифракции при разном положении тонкого светового пучка относительно звукового столба. Эксперимент по исследованию расходимости УЗП был выполнен на образце кварца следующих размеров: по оси X -170 мм; по оси Y - 28 мм; по оси Z - 22 мм. Исследования проводились при использовании ультразвуковых излучателей различной формы: плоский излучатель, цилиндрический излучатель, сферический излучатель. Во всех случаях диаметр излучателя равнялся 5 мм. Диаметр излучателя и длина кварцевого образца примерно равны обычно применяемым в реальных АОФ, поперечные размеры образца были взяты максимально возможные [2.5].
Двойные монохроматоры для акустооптических спектрометров
Одной из важнейших проблем, которые необходимо решить при построении АО спектрометров, является устранение влияния температуры в процессе работы спектрометра. Разные АО фильтры имеют разную степень чувствительности к изменению температуры, что определяется температурным коэффициентом зависимости их показателей преломления и разной управляющей мощностью и соответственно тепловыделением в кристалле. В ходе исследований для каждого типа АО фильтра были определены температурные поправки к перестроечной характеристике. Эти поправки внесены в программы управления спектрометром, что дает возможность осуществлять коррекцию, используя для этого данные, регистрируемые встроенными датчиками температуры, устанавливаемых на АО ячейках спектрометров.
Важной характеристикой АО спектрометров является их энергопотребление, которое определяет возможную сферу применения их. В конечном счете потребляемая АО фильтром мощность определяется материалом светозвукопровода и длиной АО взаимодействия. Однако эти характеристики не всегда могут варьироваться для этих целей, т.к. обычно задаются в соответствие с требуемым спектральным диапазоном и спектральным разрешением. Поэтому для всех типов фильтров выработаны средства и способы возбуждения ультразвука достаточной мощности. В частности, для фильтров из кварца необходимая мощность составляет порядка 10 Вт, а потому подается в импульсном режиме со скважностью примерно 4. Соответственно, система анализа регистрируемого фотоприемником сигнала строится на принципе синхронного детектирования сигнала, что с одной стороны усложняет систему, но зато дает возможность повысить отношение сигнал шум за счет вычитания засветки в интервалы, когда АО фильтр закрыт. Фильтры из молибдата кальция также используются в режиме модуляции (включения-выключения) ультразвука. Только АО фильтры из парателлурита для видимого диапазона работают в непрерывном режиме с потребляемой мощностью до 1 Вт. Такой режим удобен для задач регистрации изображений. Но в ИК диапазоне и эти фильтры требуют высокой управляющей мощности, а используемые в сочетании с ними ВЧ устройства и программное обеспечение обеспечивает возможность работы в непрерывном и импульсном режимах. Таким образом, проблема энергопотребления потребовала решения таких проблем, как создание мощных ВЧ устройств, в том числе двухканальных (для двойных АО монохроматоров), согласования этих устройств с АО ячейками, секционирования пьезопреобразователей, разработки режимов управления АО фильтрами и согласованных с ними режимов выделения и обработки фотосигналов, а также соответствующего программного обеспечения.
Кроме того, в связи с существенной частотной зависимостью эффективности возбуждения ультразвука, возникающей, в том числе, и из-за селективного согласования АО ячейки с ВЧ трактом, были разработаны методы управления мощностью, подаваемой на АО фильтр, а также методы переключения согласующих устройств. Все эти приемы позволяют обеспечить более плавную зависимость эффективности дифракции от длины волны. Также решалась, проблема теплоотвода, связанная с высоким тепловыделением в АО ячейках. Для этого были разработаны специальные конструкции монохроматоров, где АО ячейки располагались в металлическом корпусе обеспечивающим одновременно и теплоотвод и жесткость фиксации АО фильтров, и использовались различные устройства охлаждения, включая термоэлектрические холодильник на эффекте Пельтье и систем радиаторов и вентиляторов для эффективного сброса тепла.
При проектировании АО спектрометров необходимо обеспечить эффективное оптическое согласование элементов оптической схемы. В частности геометрический фактор, представляющий собой произведение пространственной апертуры на телесный угол зрения, для других элементов схемы не должен ухудшать эту величину, определяемую АО фильтром, которая составляет примерно (1 см х З0)2. В зависимости от задачи входная оптика может варьироваться от оптического волокна до телескопического объектива диаметром свышеЮО мм. В последнем случае вышеприведенные соображения свидетельствуют о том, что диаметр оптоволоконного жгута должен быть порядка 1 мм, чтобы не снизить светосилу спектрометра.
В качестве фотоприемных элементов использовались ФЭУ (в УФ и видимом диапазонах), фотосопротивления (в ИК диапазоне), кремниевые фотодиоды (на границе этих диапазонов). Фотоприемный блок спектрометра должен обеспечивать регистрацию и усиление фотосигнала, его оцифровку или счет импульсов, а также при необходимости охлаждение фотоприемного элемента. Отдельную сложную задачу представляет собой регистрация фотосигнала в режиме спектрометрии изображений. В этом случае используются специализированные монохромные видеокамеры и соответствующие средства регистрации изображений (фрейм-грабберы).
Поскольку фактически АО фильтр представляет собой программно-управляемый оптический элемент с множеством варьируемых параметров, необходимо, во-первых, обеспечить возможность аппаратно-программного управления ими, а, во-вторых, определения оптимальных значений этих параметров и при необходимости управления ими в процессе работы. Весь этот комплекс задач решается в ходе разработки разнообразных режимов управления АО спектрометром: измерениях спектра, временных зависимостей дрейфов и т.п., а также калибровке прибора.
Программное обеспечение также должно обеспечивать управление всеми параметрами АО фильтра (частота, мощность звука, период модуляции и скважность), а также такими характеристиками как время накопления, алгоритм обработки данных (вычитание фона, нормировка на источник и т.п.). Поэтому программное обеспечение АО спектрометров имеет принципиально иную структуру, чем у других спектрометров, и создавалось с учетом многочисленных возможностей АО фильтров.
Важнейшее значение имеет калибровка спектрометра, как по длине волны, так и по интенсивности. В ходе работ пришлось решить такие проблемы, как определение перестроечной характеристики X(f), ее температурных поправок. При абсолютной калибровке АО спектрометра по яркости принимаемого излучения, которая важна прежде всего для задач спектрорадиометрии, необходимо иметь эталонные широкоапертурные диффузные источники излучения. Для этого были созданы специализированные эталонные стенды и методики поверки (Гл. 6). Для некоторых АО спектрометров, используемых в задачах, требующих высокой чувствительности (раздел 3.3), яркость стандартных источников слишком велика и пришлось разрабатывать методику переноса единицы СПЭЯ с помощью специальных приемов.
Одним из наиболее важных требований, предъявляемых к АО спектрометрам, является высокий уровень подавления излучения вне окна аппаратной функции (или обратная величина - спектральный контраст). Особенно это важно для задач абсорбционной спектроскопии, т.к. ограниченный спектральный контраст приводит к появлению фона и невозможности точно измерить низкие уровни пропускания, а значит высокие концентрации поглощающих веществ. Эта задача рассмотрена в следующем подразделе.
Требования к спектрометру для задач газоанализа.
В настоящее время очень большое внимание вызывает проблема загрязнения окружающей среды, влияние этих загрязнений на локальные и глобальные изменения окружающей среды. Одной из задач, которую надо решать при изучении этой проблемы, является контроль количества газовых примесей в выбросах промышленных предприятий. Другой, не менее важной стороной этих явлений, которые надо изучать и контролировать, является концентрация газовых примесей в воздухе рабочих и жилых зон, зон пограничных к промышленным предприятиям. Таким образом, для мобильного контроля выбросов многих промышленных предприятий необходимы газоанализаторы, или семейство газоанализаторов, которые могли бы эксплуатироваться в мобильном режиме. Очень важным преимуществом таких приборов было бы отсутствие необходимости в пробоподготовке анализируемой среды, а возможно и отсутствие пробоотбора. Наличие таких достоинств делает газоанализатор автономным и экспрессным.
Таким требованиям в первую очередь удовлетворяют оптические газоанализаторы, выполняющие измерения концентрации газовых примесей по спектральным характеристикам анализируемой среды или по величине абсорбции светового излучения на выделенной спектральной линии.
В случае измерения количества газовых выбросов необходимо или устанавливать газоанализатор на источник выбросов, что экономически не всегда целесообразно, или периодически осуществлять забор проб выбросов в мобильный газоанализатор. Во втором варианте более практичным является забор пробы из газохода в съемную измерительную кювету газоанализатора.
В случае контроля загрязнений воздушной среды необходимо измерять концентрацию газовых примесей в атмосферном воздухе в различных местах города или предприятия. Концентрации газовых примесей в атмосферном воздухе, которые представляют практический интерес, по абсолютной величине невелики. Для различных достаточно распространенных газовых загрязнителей их содержание в воздухе составляет от нескольких миллионных долей до нескольких миллиардных долей. Для регистрации таких количеств газовых примесей в воздухе оптическим газоанализатором необходимо, чтобы оптическая длина измерительного тракта была десятки или сотни метров.
Следовательно, необходимо использовать или многопроходные кюветы, или трассовые оптические приборы с соответствующей длинной измерительной трассы. Оба варианта находят применение на практике [4.1, 4.2], каждый из них имеют свою специфику и в разных задачах преимущество имеет один из них. В ходе разработки мобильных газоанализаторов для контроля выбросов в атмосферу и концентрации газовых примесей в атмосферном воздухе было решено использовать спектральные методы регистрации газовых компонент, которые позволяют проводить измерение одновременно нескольких веществ.
При разработке мобильного газоанализатора работающего на принципе анализа спектральных характеристик измеряемой среды, в качестве спектрального прибора был выбран акустооптический спектрометр. Акустооптические спектрометры обладают достоинствами, необходимыми при решении задачи создания мобильного газоанализатора. У акустооптических спектрометров отсутствуют механические перемещения при перестройке длины волны и, как результат, они потенциально обладают высокой виброустойчивостью. Они обладают высокой светосилой [22] примерно такой же, как фурье-спектрометры и более чем на порядок превосходящих светосилу спектрометров на дифракционных решетках. Перестройку акустооптического спектрометра можно осуществить в произвольную спектральную точку рабочего диапазона за время около 40 микросекунд, что позволяет оптимизировать алгоритм измерений. Количество газовых загрязнителей, которые могут присутствовать в выбросах промышленных предприятий, а также в атмосфере очень велико. При разработке прибора ограничились некоторыми наиболее распространенными и важными газовыми загрязнителями: двуокись серы, двуокись азота, ароматические углеводороды, сероуглерод, фенол, формальдегид и некоторые другие. Мощные линии поглощения этих веществ находятся в ИК, видимой и ультрафиолетовой части спектрального диапазона. Было решено использовать для измерений часть ультрафиолетового и видимого диапазонов. Это объясняется несколькими причинами. Для ультрафиолетового и видимого диапазонов существуют высокочувствительные приемники излучения -фотоэлектронные усилители (ФЭУ). Все перечисленные вещества обладают мощными линиями поглощения от 250 до 450 нм.
Выбор спектрального диапазона почти однозначно определяет выбор материала акустооптических ячеек спектрометра. В ультрафиолетовой области спектра для акустооптических фильтров в настоящее время используются только кристаллический кварц и KDP [4.3], однако у кварца много существенных преимуществ. Промышленные кристаллы кварца обладают высоким оптическим качеством. Кварц в отличие от KDP не гигроскопичен, оптические изделия из KDP необходимо защищать от атмосферной влаги. Кроме того, кварц обладает меньшей дисперсией двулучепреломления.
На основе кристаллического кварца разработаны все три возможных вида акустооптических фильтров: коллинеарные, квазиколлинеарные, неколлинеарные. Каждый из этих вариантов АОФ имеет свои особенности: коллинеарные ячейки обладают наибольшей разрешающей способностью и наибольшей дифракционной эффективностью. Однако в необходимом спектральном диапазоне ВЧ управляющие частоты достаточно высоки (250-120) МГц, и это приводит к некоторым затруднениям в изготовлении высокоэффективных ультразвуковых преобразователей. Коллинеарные ячейки из кварца обладают существенной температурной зависимостью перестроечной характеристики. Кроме того, наиболее эффективные коллинеарные фильтры из кварца «на проход» имеют на пути оптического пучка склейку из органических клеев. Эта склейка деградирует под воздействием УФ облучения. Неколлинеарные фильтры из кварца могут быть очень разнообразными по диапазону управляющих частот, однако они обладают низкой дифракционной эффективностью. В качестве АОЯ была выбрана квазиколлинеарная ячейка. Изготовление ультразвуковых преобразователей в необходимом диапазоне управляющих частот (80-160) МГц хорошо освоено во ВНИИФТРИ. Ячейки не содержат ни зеркал, ни склеек в световом пучке. Технология изготовления светозвукопроводов также хорошо освоена. Температурная зависимость перестроечной характеристики слабая (см. рис.2.1.12), что позволяет в большинстве случаев вообще не корректировать перестроечную характеристику с изменением температуры, или применять достаточно простые методы корректировки. Схематическое изображение квазиколлинеарной акустооптической ячейки из кварца представлено в разделе 2.1 на рис.2.1.9.
Исследование режимов работы перестраиваемого лазера
Монохроматор газоанализатора «САГА-ММС» представляет собой блок, схема которого представлена на рис.4.8. В монохроматоре последовательно расположены входной поляризатор 1 из кальцита (СаСОз), акустооптические ячейки 2,7 из кристаллического кварца (Sid), промежуточные 3,6 и выходной 8 кальцитовые поляризаторы. К ячейке присоединены преобразователь из ниобата лития (UNBO3) и звукопоглотитель. Монохроматор газоанализатора «САГА-ММС» включает усилитель ВЧ мощности и формирователь импульсов модуляции. Формирование излучения на входе монохроматора обеспечивает входной объектив, схема которого описана раннее.
Принцип действия монохроматора основано на акустооптическом эффекте. Переменное электрическое поле (управляющий сигнал), приложенное к преобразователю, возбуждает акустическую волну, которая распространяется в кристаллическом кварце, вызывая периодические возмущения показателя преломления, т.е. создавая в среде фазовую дифракционную решетку. На этой решетке происходит дифракция света, распространяющегося коллинеарно групповой скорости акустической волны, причем поляризация света в результате дифракции изменяется на ортогональную. В результате на выходе ячейки наблюдаются непродифрагировавший луч исходной поляризации (о-луч) и продифрагировавший луч ортогональной поляризации (е-луч). Выходной поляризатор выделяет из этих двух лучей только продифрагировавший, т.е. е-луч. Схема квазиколлинеарной акустооптической ячейки описана в разделе 2.1.3.
Перестроечная характеристика монохроматора электронно-управляемого МЭУ-УФ определяется однозначной связью между длиной волны дифрагирующего света и частотой звуковой волны. Эта связь выражается зависимостью f = K-Anfk, где f - частота управляющего электрического сигнала, X - длина волны дифрагирующего излучения, К -коэффициент зависящий от геометрии АО взаимодействия, An = п , - п По, Пе - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, соответственно.
С целью улучшения эксплуатационных характеристик трассового газоанализатора был модернизирован фотоприемный блок газоанализатора «САГА-ММС». Был модернизирован приемный объектив, акустооптический монохроматор и внесены незначительные изменения в программу управления. Был разработан и изготовлен двойной акустооптический монохроматор на квазиколлинеарных акустооптических ячейках из кварца [2.35]. Оптическая схема этого монохроматора представлена на рис.4.9.
Созданный монохроматор обладает большим контрастом ( 105) аппаратной функции, что делает излишним выравнивание передаточной характеристики спектрометра по спектру. Для выравнивания уровней сигналов, в этом варианте спектрометра, на различных спектральных участках диапазона включается различное напряжение на ФЭУ. Спектральный диапазон обычно разбивается на три участка с различными напряжениями ФЭУ. Кроме того, для улучшения согласования ультразвуковых преобразователей акустооптических ячеек и ВЧ усилителя монохроматора применено переключаемое согласующее устройство. Применение такого согласующего устройства позволило снизить КСВ согласования до величины менее 2.5 во всех рабочих точках газоанализатора.
Это вариант объектива Максутова. Так же, как предыдущий вариант объектива, он обеспечивает согласование угловых и пространственных апертур осветителя и монохроматора. Особенностью этого варианта объектива является отсутствие углового хроматизма. Входная и выходная оптические системы объектива обладают хроматизмом фокусного расстояния. За счет выбора параметров оптических элементов сделано так, что изменение фокусного расстояния входной и выходной оптической системы объектива, в зависимости от длины волны, равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. В результате они всегда софокусны и у объектива нет углового хроматизма при небольшом хроматизме увеличения.
Спектрометр газоанализатора состоит из двух блоков: оптического блока и блока управления и обработки сигналов. Блоки соединены между собой многопроводным кабелем. Оптический блок состоит из излучателя с блоком питания, входного объектива, монохроматора с ВЧ драйвером и фотоприемного блока. Оптический блок смонтирован на поворотной платформе, обеспечивающей его поворот по горизонтали более чем на 90 градусов и по вертикали - примерно на 15 градусов. Блок управления и обработки сигналов (БУОС) изготовлен на базе промышленного компьютера AR-IPC4SD. Процессорная плата AR-B1374S, плата аналого-цифрового преобразователя L-305. Отображение рабочего режима и отображение результатов измерений осуществляется на компьютере, подсоединенном к БУОС спектрометра через RS232. У газоанализатора «САГА-ММС» монохроматор спектрометра одинарный у газоанализатора «САГА-Т100» двойной.
Особенностью отображения спектров является то, что по оси абсцисс отложена частота ультразвуковой волны, подаваемая на акустооптические ячейки. Это связано с тем, что спектральная программа газоанализатора является вспомогательной по отношению к основной программе прибора. Базы спектральных данных в основной программе записаны в частоте ультразвука. Это упрощает работу прибора т.к. отпадает необходимость точного знания перестроечной кривой монохроматора и пересчета длин волн в частоту. В спектральной программе можно регистрировать спектральный отклик, записывать базовую и темновую линии. При необходимости можно спектрометр отградуировать в единицах чувствительности СПЭЯ. Оно содержит в себе следующие элементы: - окно со списком выбранных для измерения газовых примесей; - меню с пунктами для работы базами данных , прибором и настройками программы; - панель с кнопками для быстрого доступа к пунктам меню; - строка статуса, показывающая состояние работы программы.
Пункты меню «Редактирование» и «Калибровка» активны только в режиме доступа администратора и недоступны для пользователя. Результаты измерений представляются в виде карточки изображенной на рис.4.14.
